劉 伯 韜

（中國(guó)昆侖工程有限公司，北京100037）

直接晶化瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝特點(diǎn)分析

劉 伯 韜

（中國(guó)昆侖工程有限公司，北京100037）

中國(guó)昆侖工程有限公司在原有瓶級(jí) PET生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一種新型直接晶化瓶級(jí) PET生產(chǎn)工藝。介紹了工藝和某實(shí)際工程案例進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)工藝從固定投資、運(yùn)行成本等工程角度對(duì)比。

瓶級(jí)PET；直接晶化；固相縮聚；工藝對(duì)比

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）自1953年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為用途最為廣泛的聚合材料，目前全球PET的消費(fèi)量已經(jīng)接近9 000萬(wàn)t，且仍在以每年5%～8%的速度增加。PET由于其優(yōu)異的機(jī)械性能、耐熱性、耐腐蝕性和透光性，廣泛用于纖維、包裝用瓶、薄膜和工業(yè)絲等領(lǐng)域。特別是近年來(lái)PET在飲料瓶，飲用水瓶和油瓶的應(yīng)用，已經(jīng)幾乎完全取代玻璃瓶，成為僅次于纖維領(lǐng)域的第二大消費(fèi)市場(chǎng)。 2010年至2014年，國(guó)內(nèi)瓶級(jí)PET的產(chǎn)能和產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率達(dá)到驚人的22%和28.6%，預(yù)計(jì)2017年底國(guó)內(nèi)瓶級(jí)PET產(chǎn)能將達(dá)到1 100 t[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝一直存在流程較長(zhǎng)，能耗較高的問(wèn)題。瓶級(jí)PET的消費(fèi)量不斷攀升促進(jìn)了業(yè)內(nèi)對(duì)其生產(chǎn)工藝優(yōu)化的研究，美國(guó)杜邦公司、瑞士UIF公司、德國(guó)吉瑪公司等都在加大研發(fā)力度，各家的研究各有特點(diǎn)[2]。中國(guó)昆侖工程有限公司，作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的 PET專利商，一直致力于PET生產(chǎn)工藝的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，在原有的酯化-縮聚-固相縮聚工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出直接晶化瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝。

1 兩種瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝介紹

1.1 傳統(tǒng)工藝路線

傳統(tǒng)瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝分兩步進(jìn)行：

（1）精對(duì)苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）經(jīng)過(guò)兩段酯化（酯化率約為 97%）[3]、兩段預(yù)縮聚和終縮聚最終生成特性粘度為0.59～0.64 dl/g的熔體[4]，經(jīng)水下拉條切粒冷卻干燥至40 ℃以下，成為長(zhǎng)度約為 2.5 mm的圓柱形切片，送至固相縮聚裝置（簡(jiǎn)稱“SSP”）。

（2）PET切片在SSP裝置中經(jīng)過(guò)預(yù)結(jié)晶、結(jié)晶、固相縮聚、冷卻除塵等工段，分子鏈進(jìn)一步增長(zhǎng)，最終成為特性粘度0.7～0.85 dl/g的瓶級(jí)PET切片。

整個(gè)工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝流程示意圖Fig.1 Traditional bottle grade PET production process flow diagram

1.2 直接晶化瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝路線

直接晶化瓶級(jí)PET工藝與傳統(tǒng)PET生產(chǎn)工藝的前半部分相似，均是采用酯化+預(yù)縮聚+終縮聚的工藝生產(chǎn)聚酯熔體，不同的地方在后半部分，主要有以下兩點(diǎn):

（1）造粒采用新型高溫水下切粒機(jī)，熔體經(jīng)旋轉(zhuǎn)刀片在切割室內(nèi) 90 ℃左右水相環(huán)境中切粒，同時(shí)熔體固化，生產(chǎn)出球形顆粒（顆粒直徑 3 mm左右），隨后切片干燥后送至后續(xù)工段。這具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，PET切片在80～90 ℃的水相環(huán)境中結(jié)晶度可以達(dá)到30%左右，沈希軍等人的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)[5]；另外，提高基礎(chǔ)切片的結(jié)晶度可以有效防止切粒團(tuán)聚粘連，有利于后續(xù)的固相縮聚反應(yīng)的發(fā)生；再次，切片粒徑越小，固相縮聚反應(yīng)常數(shù)越大[6]。

因此認(rèn)為該設(shè)備從工藝的角度有利于固相縮聚反應(yīng)。此外，從工程的角度上說(shuō)，該設(shè)備具有占地小，易操作，刀具磨損小，運(yùn)維成本低等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)拉條式切粒機(jī)相比優(yōu)勢(shì)明顯，在PET生產(chǎn)行業(yè)具有廣闊的前景[7]。

另外進(jìn)切粒機(jī)前的熔體過(guò)濾器采用碟片過(guò)濾器，取代傳統(tǒng)雙聯(lián)式過(guò)濾器，減小占地面積，節(jié)省過(guò)濾器清洗系統(tǒng)，維護(hù)成本大幅降低。

（2）因?yàn)樵诟邷厮略炝５幕A(chǔ)切片已經(jīng)具備一定的結(jié)晶度，所以SSP裝置不必設(shè)置預(yù)結(jié)晶器。

基礎(chǔ)切片經(jīng)高溫水下切粒機(jī)后被快速送到結(jié)晶器，在空氣環(huán)境下進(jìn)一步結(jié)晶，結(jié)晶度達(dá)到42%左右。

隨后切片在氮?dú)猸h(huán)境中被送到預(yù)熱器（因?yàn)闇囟瘸^(guò) 180 ℃切片會(huì)發(fā)生氧化，故預(yù)熱工段直至SSP反應(yīng)工段都在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行），在預(yù)熱器中加熱至210 ℃左右，結(jié)晶度達(dá)到52%，同時(shí)會(huì)發(fā)生初步的固相縮聚反應(yīng)，在預(yù)熱器中聚酯分子量會(huì)增長(zhǎng)20%左右。

由于經(jīng)高溫水下造粒的基礎(chǔ)切片溫度高于傳統(tǒng)切粒機(jī)生產(chǎn)出的切片溫度，預(yù)熱器的負(fù)荷較傳統(tǒng)工藝也顯著降低。

預(yù)熱后的切片被送到固相縮聚反應(yīng)器上方入口，靠重力下落，在210 ℃左右的環(huán)境中與下方通入的氮?dú)饽嫦蚪佑|，進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)，同時(shí)上升的氮?dú)鈳ё吒碑a(chǎn)乙醛、乙二醇和水等揮發(fā)物，后經(jīng)冷卻至60 ℃生產(chǎn)出瓶級(jí)PET切片，此時(shí)結(jié)晶度在53%左右，粘度達(dá)到0.8～0.85 dl/g，乙醛含量在1 ppm以下。

圖2為直接晶化瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝示意圖。

圖2 直接晶化瓶級(jí)PET生產(chǎn)工藝流程示意圖Fig.2 Direct-crystallization bottle grade PET production process flow diagram

通過(guò)以上工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)縮短流程，降低運(yùn)行成本的目的。下面以一個(gè)實(shí)際案例從工程角度將兩種工藝路線進(jìn)行對(duì)比。

2 案例分析

該項(xiàng)目為某擬建日產(chǎn)1 200 t瓶級(jí)PET切片裝置，基礎(chǔ)切片生產(chǎn)采用一頭兩尾五釜流程，即兩段酯化反應(yīng)器、兩段預(yù)縮聚反應(yīng)器為1 200 t反應(yīng)器，預(yù)聚物產(chǎn)物分兩路，后接兩臺(tái)600 t終縮聚臥式反應(yīng)器。該P(yáng)ET裝置生產(chǎn)能力僅次于國(guó)內(nèi)單線最大生產(chǎn)能力（日產(chǎn)1 500 t），為中國(guó)昆侖工程有限公司自主開(kāi)發(fā)的成熟的五釜PET成產(chǎn)工藝。后續(xù)造粒工段配置六臺(tái)新型高溫水下切粒機(jī)（四用兩備），造粒后不再設(shè)置切片料倉(cāng)，基礎(chǔ)切片直接被送到兩條獨(dú)立的日產(chǎn)600 t瓶級(jí)PET切片的固相縮聚生產(chǎn)線。以下從產(chǎn)品質(zhì)量、固定投資、運(yùn)行成本三個(gè)角度進(jìn)行分析比較。

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量

兩種工藝路線均能生產(chǎn)出優(yōu)等瓶級(jí) PET聚酯產(chǎn)品，特性粘度在(0.85±0.02)dl/g，b值小于 2.5，乙醛含量在1 ppm以下。

2.2 固定投資

直接晶化工藝可省略切片中間料倉(cāng)兩個(gè)和成品料倉(cāng)三個(gè)、切粒除鹽水系統(tǒng)一套、過(guò)濾器清洗系統(tǒng)一套，預(yù)結(jié)晶器兩臺(tái)，終聚物熔體雙聯(lián)過(guò)濾器八臺(tái)改為六臺(tái)碟片過(guò)濾器，共計(jì)各類設(shè)備13臺(tái)/套，大幅度降低了設(shè)備材料采購(gòu)成本。兩種工藝路線的設(shè)備對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備對(duì)比表Table 1 Equipment comparison

由于設(shè)備配置不同，因此相應(yīng)的管道、儀表、電氣、土建方案均發(fā)生變化，例如取消三臺(tái)公稱容積約1 000 m3的成品料倉(cāng)，采用碟片過(guò)濾器取代雙聯(lián)過(guò)濾器，取消預(yù)結(jié)晶器等大型設(shè)備，因此節(jié)省土建投資約人民幣200萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)核算，采用新型直接晶化工藝，固定投資（包括設(shè)備、電氣、儀表、管道材料、土建費(fèi)用等）可節(jié)省人民幣近1 100萬(wàn)元。另外需要特別說(shuō)明的是，目前國(guó)內(nèi)仍不能加工制造用于PET行業(yè)的高溫水下球切機(jī)，該設(shè)備需從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，如若能將該設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，裝置投資可進(jìn)一步大幅度降低。

2.3 運(yùn)行成本

運(yùn)行成本的變化應(yīng)考慮節(jié)省的公用工程費(fèi)用，以及易損易耗件維護(hù)的費(fèi)用，具體從以下幾個(gè)角度考慮：

（1）采用高溫水下球切機(jī)，是熔體狀態(tài)下直接切粒，比傳統(tǒng)切粒機(jī)凝固后切粒大幅節(jié)省了電能和刀具的損耗。

（2）采用碟片過(guò)濾器取代雙聯(lián)過(guò)濾器，節(jié)省占地，大幅降低了濾芯維護(hù)更換費(fèi)用。另外由于取消了切粒除鹽水系統(tǒng)和過(guò)濾器清洗系統(tǒng)，用水和蒸汽顯著節(jié)省，。

（3）避免了基礎(chǔ)切片溫度過(guò)低，到SSP裝置再升溫的換熱浪費(fèi)，降低了SSP裝置預(yù)熱器的熱負(fù)荷。

可見(jiàn)新型直接晶化工藝，能夠大幅節(jié)省運(yùn)行成本，兩種工藝公用工程消耗分析見(jiàn)表2。

綜合以上公用工程消耗節(jié)省情況，年產(chǎn)40萬(wàn)t瓶級(jí)PET裝置采用直接晶化工藝比傳統(tǒng)工藝每年可節(jié)約公用工程成本人民幣420余萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。若再考慮節(jié)省的切粒機(jī)刀具損耗以及過(guò)濾器濾芯的維護(hù)更換費(fèi)用，運(yùn)行成本會(huì)進(jìn)一步下降。

表2 公用工程消耗對(duì)比表Table 2 Utility consumption comparison

3 結(jié) 論

通過(guò)以上案例分析可以看出，新型直接晶化工藝采用新型高溫水下切粒技術(shù)，在較高的溫度下使聚酯熔體在造粒及輸送的過(guò)程中發(fā)生預(yù)結(jié)晶，從而使PET-SSP生產(chǎn)工藝流程及能量利用大幅優(yōu)化，節(jié)省設(shè)備一次性投資及操作運(yùn)行成本。該種工藝與傳統(tǒng)工藝相比，具有先進(jìn)性，代表了瓶級(jí)PET固相縮聚生產(chǎn)工藝的發(fā)展方向。

［1］ 龍燕，謝俊彪.國(guó)內(nèi)外瓶級(jí)聚酯的市場(chǎng)及應(yīng)用[J].合成樹(shù)脂及塑料，2015，32(5)：82-83.

［2］ 王偉. 瓶級(jí)PET生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展[J].合成樹(shù)脂與塑料， 2016, 33(1)：79-81.

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［6］ 張健，謝文健. PET固相縮聚的主要影響因素[J]. 聚酯工業(yè)，2009，22(6)：18-19.

［7］ 李彩虹，徐年富，屠嶺,等. 直切式水下切粒機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用前景分析[J]. 輕工機(jī)械，2005(3)：115-116.

環(huán)氧樹(shù)脂：環(huán)保影響需求 市場(chǎng)延續(xù)弱勢(shì)

據(jù)悉，在兩會(huì)期間，環(huán)境保護(hù)部部長(zhǎng)陳吉寧透露，2017年環(huán)保部將完成環(huán)保督查各省份全覆蓋，4月起將對(duì)湖南、安徽、新疆、西藏、貴州、四川、山西、山東、天津、海南、遼寧、吉林、浙江、上海、福建等15個(gè)省進(jìn)行督察。去年我國(guó)高達(dá)3 000多家小微型涂料企業(yè)，因違反了國(guó)家相關(guān)政策法規(guī)，而被淘汰關(guān)閉。在環(huán)保監(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)的今天，江蘇、山東、湖南、四川等省相繼出臺(tái)了一些政策，這些政策都會(huì)對(duì)涂料等相關(guān)行業(yè)造成一定的影響。

由上圖可知，我國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂最大的消費(fèi)群體以涂料為主，占需求總量的 39%左右。而其他下游終端如電子電器、膠黏劑行業(yè)等需求低迷，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂市場(chǎng)供應(yīng)方向調(diào)整及需求量削減。復(fù)合材料行業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，但受技術(shù)工藝制約以及國(guó)內(nèi)“棄風(fēng)限電”等制約，經(jīng)過(guò)了2015年的突飛猛進(jìn)的發(fā)展后進(jìn)入了為期3-5年的平緩過(guò)度期，國(guó)內(nèi)環(huán)保壓力的增加也對(duì)膠黏劑等行業(yè)帶來(lái)了沖擊，而其他較為環(huán)保的新興產(chǎn)品如水性涂料受到技術(shù)制約發(fā)展仍處于起步階段，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的需求預(yù)期相對(duì)平穩(wěn)。 我國(guó)固體環(huán)氧樹(shù)脂是粉末涂料的主要原料，主要應(yīng)用在防腐管道、家電表面噴涂等，液體環(huán)氧樹(shù)脂主要應(yīng)用于汽車(chē)底漆、集裝箱及船舶噴涂。隨著國(guó)家環(huán)保檢查力度的不斷施壓，部分小型粉涂工廠因排污設(shè)施不完善被勒令停產(chǎn)整改，更有部分面臨淘汰風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)工負(fù)荷的降低，也就意味著整體需求的收縮，且環(huán)保檢查并不是一時(shí)三刻就能結(jié)束的，所以對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的需求也將保持淡弱格局。

Analysis on Process Characteristics of Bottle Grade PET Production by Direct-crystallization Method

LIU Bo-tao

（China Kunlun Contracting & Engineering Co., Ltd., Beijing 100037, China）

China Kunlun Contracting & Engineering Co., Ltd (CKCEC) has developed a direct-crystallization bottle grade PET production process based on the traditional process. In this paper, the newly developed process was introduced. Afterwards, a real case was studied, the process was compared with traditional process from the perspective of investment and operating cost.

Bottle grade PET; Direct-crystallization; SSP; Process comparison

TQ 325

A

1671-0460（2017）04-0715-03

2017-03-10

劉伯韜（1984-），男，山東省東營(yíng)市人，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于大連理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。目前任職于中國(guó)昆侖工程有限公司，從事聚酯裝置工程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理等工作。E-mail：liu_botao@cnpc.com.cn。